Rivelando un nuovo mondo di possibilità per i materiali 2D

Il materiale incredibilmente sottile, spesso solo pochi atomi, ha proprietà uniche che lo rendono attraente per lo stoccaggio di energia, la catalisi e la purificazione dell’acqua. I ricercatori dell'Università di Linköping in Svezia hanno sviluppato un metodo che consente la sintesi di centinaia di nuovi materiali 2D. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Science.

Dalla scoperta del grafene, il campo di ricerca sui materiali ultrasottili, i cosiddetti materiali 2D, è aumentato notevolmente. Il motivo è che i materiali 2D hanno un'ampia superficie rispetto al loro volume o peso. Ciò dà origine a una serie di fenomeni fisici e proprietà distinte, come buona conduttività, elevata resistenza o resistenza al calore, che rendono i materiali 2D interessanti nella ricerca e nelle applicazioni fondamentali.

“In una pellicola spessa solo un millimetro, possono esserci milioni di strati di materiale. Possono esserci molte reazioni chimiche tra gli strati e grazie a ciò, i materiali 2D possono essere utilizzati per immagazzinare energia o generare carburante, ad esempio, “, afferma Joanna Rosen, professoressa di fisica dei materiali all'Università di Linköping.

La più grande famiglia di materiali 2D si chiama MXenes. Gli MXene vengono creati da un materiale 3D nativo chiamato fase MAX. È costituito da tre diversi elementi: M è un metallo di transizione, A è un elemento (gruppo A) e X è carbonio o azoto. Rimuovendo l'elemento A con acidi (peeling) si crea un materiale bidimensionale. Ad oggi, gli MXenes sono stati l'unica famiglia fisica creata in questo modo.

I ricercatori di Linköping hanno presentato un metodo teorico per prevedere quali altri materiali 3D potrebbero essere adatti alla conversione in materiali 2D. Hanno anche dimostrato che il modello teorico corrisponde alla realtà.

Per raggiungere il successo, i ricercatori hanno utilizzato un processo in tre fasi. Nella prima fase, hanno sviluppato un modello teorico per prevedere quali materiali genitori sarebbero stati adatti. Utilizzando calcoli su larga scala presso il National Supercomputer Center, i ricercatori sono stati in grado di identificare 119 materiali 3D promettenti da un database e selezionare 66.643 materiali.

Il passo successivo è stato provare a creare il materiale in laboratorio.

“Tra 119 potenziali materiali, abbiamo studiato quali avevano la stabilità chimica richiesta e quali materiali erano i migliori candidati. Innanzitutto, abbiamo dovuto fabbricare un materiale 3D, che era di per sé una sfida. Alla fine, abbiamo ottenuto un campione di alta qualità ”, afferma Jie Zhou, professore e assistente presso il Dipartimento di fisica, chimica e biologia: “Possiamo sbucciare e incidere specifici strati di atomi utilizzando l’acido fluoridrico”.

I ricercatori hanno rimosso l'ittrio (Y) dal materiale originario YRu₂E₂Con conseguente formazione di un Ru bidimensionale₂E_SEHI_sì.

Ma per confermare il successo in laboratorio è necessaria la verifica: il terzo passo. I ricercatori hanno utilizzato il microscopio elettronico a scansione Erwin dell’Università di Linköping. Può esaminare i materiali e la loro struttura fino al livello atomico. Ad Arwen è anche possibile studiare gli atomi che compongono una sostanza mediante la spettroscopia.

“Abbiamo potuto confermare che il nostro modello teorico funziona bene e che il materiale risultante è composto dagli atomi corretti. Dopo la pelatura, le immagini del materiale assomigliano alle pagine di un libro. È sorprendente mettere in pratica la teoria, e quindi è sorprendente mettere in pratica la teoria”, afferma Jonas Björk, professore associato presso il Dipartimento di Design. Materiali: “Espandere il concetto di peeling chimico per includere più famiglie di materiali rispetto a MXenes.”

La scoperta dei ricercatori significa che molti materiali 2D con proprietà uniche sono a portata di mano. Questi, a loro volta, potrebbero gettare le basi per un gran numero di applicazioni tecnologiche. Il prossimo passo per i ricercatori sarà esplorare più potenziali materiali di partenza ed espandere la portata degli esperimenti. Joanna Rosen ritiene che le applicazioni future siano quasi infinite.

“In generale, i materiali 2D hanno mostrato un grande potenziale per un gran numero di applicazioni”, afferma Johanna Rosen. “Si può immaginare, ad esempio, la cattura dell'anidride carbonica o la purificazione dell'acqua. Ora si tratta di ampliare il processo di sintesi e di farlo in un modo sostenibile.”